CTA報告186：

CTA大口径望遠鏡のためのSiPMカメラの開発
橋山和明A, 猪目祐介A, 岩村由樹A , 大岡秀行A, 岡知彦B, 岡崎奈緒A, 奥村曉C, D, 折戸玲子E, 片桐秀明F,櫛田淳子G, 窪秀利B, 郡司修一H, 齋藤隆之A, 櫻井駿介A, 佐々木寅旭I, 砂田裕志I, 高橋光成A, 立石大I,田中真伸J, 手嶋政廣A, K, 寺内健太B, 寺田幸功I, 門叶冬樹H, 中森健之H, 西嶋恭司G, 野上優人F, 野崎誠也B,
野田浩司A, Daniel MazinA, K, Daniela HadaschA, 山本常夏L, 吉田龍生F,
他 CTA-Japan consourtium

東大宇宙線研A, 京大理B, 名大ISEEC, 名大KMID, 徳島大理工E, 茨城大理F, 東海大理G, 山形大理H,埼玉大理I, KEK素核研J, マックスプランク物理K, 甲南大理工L

日本物理学会 第76回年次大会 2021/9/14

導入• 解像型大気チェレンコフ望遠鏡 (IACT)-

ガンマ線と地球大気との相互作用の過程で生じるチェレンコフ光を観測✓

焦点面光検出器（カメラ）で撮像し, ガンマ線の間接観測を行う✓

感度はガンマ線とハドロンの弁別性能にも依存する➡

ピクセルの細分化によって弁別性能が向上 = LSTの感度向上• CTA大口径望遠鏡 (LST)-CTAの中で口径が最大の望遠鏡-

カメラは1855本の光電子増倍管（PMT）で構成される

焦点面光検出器（カメラ）CTA-LST➡ カメラ素子をPMTからSiPMに変える
CTA北サイト完成予想図

Credit: G. Pérez, IAC, SMM

大口径望遠鏡 (LST)
Credit: Gabriel Pérez Díaz, IAC.

2021/9/14

物理学会 2021年秋季大会

Credit: Akira Okumura

2

LSTのカメラ素子のSiPM化• Silicon Photo-Multiplier (SiPM)-

複数のガイガーモードアバランシェフォトダイオード(GAPD) で構成-

光子検出メカニズム:
✓

さらに拡大

光電効果で生じた光電子がアバランシェ増倍によって増倍される

SiPMのメリット

SiPMのデメリット✓ QEがPMTの約1.5倍➡ 約60% ＠300‒500 nm✓ 動作電圧が低い➡ 約40 V✓ ピクセルの細分化が可能など✓ 信号のFWHMが大きい✓ オプティカルクロストーク（OCT）の発生確率が高い✓ 信号の読み出しチャンネルが増加するなど

PMTとSiPMの定量的な性能の比較が重要‣ 信号幅やOCTなどのSiPM特有のデメリットを加味してもPMTに劣らないかを検証する必要がある

小さな正方形が1ピクセルのGAPD(75 μm×75 μm)
本研究で用いたSiPM(S14521-0741,浜松ホトニクス製)

オプティカルクロストーク (OCT)- 光検出と同時にSiPM自体が赤外線光子を発生させる現象- 1光子を複数光電子と見誤ってしまう

本研究の目的2021/9/14

物理学会 2021年秋季大会

3

測定項目
(3) 信号の波形整形(1) 光電子増倍率 (ゲイン)-

印加電圧と電荷の関係を調べる(2) 降伏電圧-

アバランシェ増倍を起こし始める電圧-

ゲインの超過電圧依存性から推定する✓

超過電圧 = 印加電圧 − 降伏電圧(1), (2) はSiPMの動作確認として行う-

波形整形回路により~3 nsのパルス幅を目指す-

SiPMの出力波形はそのままではLSTに不適✓

素早い立ち上がりの後, 数百nsで減衰✓

チェレンコフ光と夜光を弁別不可(4) 電荷分解能-

1 p.e.の電荷分布の揺らぎとして定義✓

カメラ素子のSiPM化の研究において特に重要な測定項目(5) OCT-

整形無振幅 [a.u.]

高電荷分解能は検出光子数の推定値の統計誤差を減らす

OCTの超過電圧依存性を調べる✓

検出光子数の分布がポアソン分布からずれるため, 電荷分解能を補正する必要がある(6) 信号合成
整形有-信号合成時の電荷分解能を評価する-

SiPMは素子サイズが小さい✓

PMTカメラの1画素をカバーできない✓

信号合成により1画素分の信号にする必要がある

時間 [a.u.]
2021/9/14

物理学会 2021年秋季大会

4⬇︎

測定のセットアップ
• 測定系
-

試験基板
✓ SiPMの信号を読み出すための基板✓ 1チャンネル読み出し, 2チャンネルおよび4チャンネルでの信号合成が可能-

他の外部回路
✓ 波形整形回路 → Pole Zero Cancellation (PZC)✓ 増幅回路 → アンプ (OPA855DSGEVM, 27倍増幅)

試験基板

SiPM

台座

暗箱内

R2 = 510 Ω
C1 = 10 pF

SiPM＋基板
電源ケーブル基板とSiPM

2021/9/14

R1 = 30 kΩ

減光フィルターとディフューザー

PZCの回路図
オシロスコープへ
物理学会 2021年秋季大会

5試験基板での測定結果①(1) ゲインの電圧依存性-

約39.5 V以上でゲインは1次の関係となった-

42.0 Vでのゲインは(2.33±0.10)×105となった(2) 降伏電圧-

降伏電圧は39.50±0.04 Vと推定された
測定した12チャンネルは問題なく動作した
ゲインの揺らぎ: ~4.3%
降伏電圧の揺らぎ: ~0.1%
SiPMの平均出力波形

平均電荷の印加電圧依存性

積分区間
52-57 ns

数百nsで減衰ゲインは超過電圧に対して線形

2021/9/14

チャンネル

降伏電圧

チャンネル

降伏電圧

A2[V]
39.50

C2[V]
39.55

A339.44

C339.52

B139.44

C439.52

B239.55

D139.48

B339.48

D239.55

B439.54

D339.48

物理学会 2021年秋季大会

6試験基板での測定結果②(3) 信号の波形整形-信号の半値幅 (FWHM) は約1.8 ns✓

積分区間
41‒44 ns

3 p.e.

PMTへの要求値は3 ns
2 p.e.

(4) 電荷分解能-

電荷分布を多重ガウシアンでフィッティングし,各ピークの平均値と標準偏差を計算-

電荷分解能の計算式:

σ12 p.e. = 0.15 p . e .

1 p.e.

OCTの補正なし

pedestal

PZC未使用

1 p.e.

FWHM ~1.8 ns
2 p.e.

PZC使用
3 p.e.

➡︎➡︎➡︎2021/9/14

物理学会 2021年秋季大会

4 p.e.

7

➡︎

試験基板での測定結果③(5) OCTの電圧依存性-

計算式:
λ k e −λp(k p . e.) =k!
pobs(1 p . e.)
POCT = 1 −pest(1 p . e.)✓pobs(1 p . e.) = N1 p.e. /Nall
λ = − ln p(0 p . e.)pest(1 p . e.) = λe −λ超過電圧が4.0 VのときのOCT発生確率は約5.6%
この確率を用いて電荷分解能の補正を行なった

OCTの確率から電荷分解能を補正する
2σ12 p.e. + σOCT
∼ 0.28 p . e .

σe =

補正後

OCTを考慮した1 p.e.の分布の分散(6) 信号の合成-

2チャンネル合成（A2+B2）✓σe ∼ 0.31 p . e .
✓-pedestal

電荷分解能:
補正後

2 p.e.

1チャンネルと比べて約1.1倍悪化

4チャンネル合成✓3 p.e.

測定中

4 p.e.

ff

ff

2チャンネル合成までの電荷分解能はPMTの電荷分解能の許容範囲 (σe < 0.47) に収まった
2021/9/14
ff

1 p.e.

物理学会 2021年秋季大会

5 p.e.

8まとめ• 目的: PMTとSiPMの性能比較のため, SiPMの基礎特性を測定する• 測定結果動作確認のための測定(1) ゲインの電圧依存性(3) 信号の波形整形-

超過電圧に対して1次の関係になった-

印加電圧42.0 Vでのゲインは(2.33±0.10)×105-(2) 降伏電圧-

特に重要な測定項目

PZCによって信号のFWHMを約1.8 nsに短縮★

LSTの要求値は~3 ns(4) 電荷分解能

降伏電圧は39.50±0.04 Vと推定された-

測定した12チャンネルは問題なく動作した

1チャンネル測定時:‣

ゲインの揺らぎ: ~4.3%, 降伏電圧の揺らぎ: ~0.1%

OCT補正後の電荷分解能: σe= 0.28 p . e .

(5) OCTの電圧依存性• 今後の展望ff-

超過電圧4.0 VでのOCT発生確率は約5.6%4チャンネルでの信号合成(6) 信号の合成-

アフターパルスの測定--

降伏電圧やゲインの温度依存性の測定-

PMTとの性能比較

2021/9/14
ff

超過電圧に対して1次の関係-

2チャンネル合成時:
‣-など

ff

-

OCT補正後の電荷分解能: σe= 0.31 p . e .

4チャンネル合成時: 測定中

2チャンネル合成までの電荷分解能はPMTの電荷分解能の許容範囲 (σe < 0.47) に収まった

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